Vákuumcsöves napkollektor

Cikk mentése a konyvjelzők közé
Cikk nyomtatása
Cikk elküldése levélben
Vákuumcsövek
Vákuumcsövek sorakoznak egymás mellett egy vákuumcsöves napkollektorban. A vákuum rendkívül jó hőszigetelő, ezért alkalmazzák a napkollektorokban is.

Vákuumcsöves napkollektornak azokat a kollektor típusokat nevezzük, amelyek hőtermelő felülete a magasabb hatásfok elérésének érdekében vákuum által szigetelt üvegcsőben helyezkedik el.

Vákuumcsöves napkollektor működése és alkalmazása

A napkollektorok célja minden esetben a nap energiájának hasznosítása. Az igényektől és felhasználás körülményeitől függően különböző kollektor típusokat különböztethetünk meg, ezek közül jelenleg a vákuumcsöves napkollektorok (helyesen két u-val, nem vákumcsöves napkollektor, ahogyan nagyon gyakran írják) jelentik a napkollektor technológia csúcsát. Bár a vákuumcsöves kollektoroknak is vannak hátrányos tulajdonságaik, általánosságban elmondható róluk, hogy ezek a szerkezetek képesek a legjobban hasznosítani a napsütés energiáját.

Miért pont vákuum?

Hogy mi szükség van a vákuumra egy napkollektorban? A kérdésre a válasz igen egyszerű: a szigetelés miatt.
Többé vagy kevésbé minden anyag vezeti a hőt, de a különböző anyagok hővezetési képessége változó. A levegő például elég rossz hővezető mivel részecskéi lazán, egymástól távol helyezkednek el, így nehezebben tudják átadni egymásnak a hőenergiát, nem úgy mint a jó hővezető képességű fémek.
A rossz hővezető képességű levegőnél csak egy rosszabb hővezető (azaz jó hőszigetelő) létezik: a vákuum. Mivel a vákuum légüres tér, nincsenek benne részecskék amelyek a hőt közvetíthetnék, ezért a vákuum rendkívül jó hőszigetelőnek bizonyul.

Miért van szükség a hőszigetelésre?

A napkollektorok szigeteltsége, avagy hővesztesége igen fontos tényező a kollektor teljesítményét illetően. A napsugárzás hatására egy kollektor belsejében áramló hőcserélő folyadék nagyon magas hőmérsékleteket érhet el. Amikor egy kollektorban a folyadék felmelegszik vagyis ennek a folyadéknak a hőmérséklete magasabb lesz, mint magát a napkollektort körülvevő levegő hőmérséklete, a kollektor elkezd egyfajta "kültéri radiátorként" viselkedni, és ha nincs szigetelve, akkor a napsugárzásból összegyűjtött hőenergiáját nem csak a számunkra kedvező módon a használati melegvíz fűtésére hasznosítja, hanem az őt körülvevő levegőt is melegíti. Ez különösen télen jelent problémát, amikor a kinti hőmérséklet alacsony és a napkollektorban keringő folyadék pedig igen meleg. Ilyenkor hőszigetelés hiányában a hőleadási folyamat nagyon intenzív lehet, ami komoly energiaveszteséget és ezáltal teljesítménycsökkentést jelent.

A napkollektor panelek szigetelését viszont nem egyszerű feladat megoldani, hiszen ebben az esetben olyan szigetelésre van szükség, ami fényt átengedi magán, de a fénysugárzás hatására keletkező hőt már nem engedi vissza a környezetbe. Amennyiben a napkollektor hőelnyelő szerkezetét egy vákuumot tartalmazó üveg csőben helyezzük el, biztosak lehetünk benne, hogy a napsugárzás az üvegcsövön keresztül fog jutni, viszont a hőelnyelő felületen keletkező hő a vákuumos szigetelésnek köszönhetően már nem képes visszajutni a környezetbe.

Tehát a vákuumcső feladata, hogy a csőben elhelyezett hőtermelő egység teljesítményét függetlenítse a környezet hőmérsékletétől, és a vákuum szigetelő tulajdonsága révén megtartsa napsugárzás által termelt hőt.

Vákuumcsöves napkollektorok alkalmazása

A vákuumcső fentebb leírt kiváló szigetelő képességnek köszönhetően a vákuumcsöves napkollektorok alkalmazása olyan környezetben javasolt, ahol gyakran előfordulhatnak hosszabb hidegebb időszakok, továbbá gyakoribbak a borús, felhős időszakok is, amikor a nagyobb hatásfoknak köszönhetően az ilyen kollektorok tovább működhetnek.

Vákuumcső és vákuumcsöves kollektor típusok

A vákuumcsöves napkollektorok kialakítása viszonylag sokféle lehet, ami befolyásolhatja a kollektor teljesítményét és élettartamát is. A két legfontosabb szempont, mely szerint megkülönböztethetjük őket:

  • a vákuumot tartalmazó üvegcső kialakítása szerint, ami lehet:
    • üveg-fém (glas-metal) vákuumcső, vagy
    • üveg-üveg (glas-glas) vákuumcső
  • a vákuumcsőben elhelyezkedő hőtermelő, hőelnyelő kialakítása szerint, ami lehet:
    • hőcsöves, vagy főtőcsöves (heat-pipe) napkollektor
    • u-csöves, direkt átfolyású (u-pipe, direct-flow) napkollektor

Üveg-fém vákuumcső

Az úgynevezett üveg-fém (glas-metal) típusú üvegcsövek leginkább egy felnagyított kémcsőhöz hasonlítanak. Ez gyakorlatilag egy hosszukás üveg cső, ami csak az egyik végén nyitott. A cső nyitott végén helyezik be a hőelnyelő szerkezetet, majd a csőből kiszippantják a levegőt és lezárják.
Előnye, hogy a napsugárzásnak csak egy réteg üvegfelületen kell áthatolnia ahhoz hogy a hőelnyelő szerkezetet elérje, ezért hatékonyabb mint a dupla üvegfalú üveg-üveg vákuumcsövek. Hátránya viszont, hogy a vákuumos tér lezárása a gyakori hőtágulásnak köszönhetően sérülhet, így a vákuum egy idő után megszűnhet, ami a szigetelési képesség elvesztéséhez és a teljesítmény jelentős romlásához vezet.

Üveg-üveg vákuumcső

Az üveg-üveg (glas-glas) vákuumcsövek lényege, hogy ezeknek a típusokat úgy fejlesztették ki, hogy a szigetelést nyújtó vákuum a teljes életciklus során biztonságosan megtartható legyen bennük.
Ezt a célt úgy érik el, hogy egy dupla falu üvegcsövet hoznak létre, amelynek a dupla falai között van a légüres tér. Mivel ezek a csövek teljes egészében egy darab üvegből készülnek, a szigetelő hatású vákuum csak a cső mechanikai sérülése: törése vagy repedése során szűnhet meg. Ez a megoldás pedig sokkal megbízhatóbbá teszi a vákuumcső működést.
A dupla falú üvegcső belső felületére rendszerint nagy fényelnyelő képességű bevonatot visznek fel, ami a beérkező fényt szinte teljesen elnyeli, és átadja a hőelnyelő szerkezetnek. Tehát ebben a kialakításban rendszerint az üveg cső maga is részt vesz a hőelnyelő folyamatban. Hátránya viszont, hogy a napsugárzásnak két üvegfelületen kell átjutnia a hőelnyelő felületig, ami a fénytörésnek és fényvisszaverődésnek köszönhetően duplán csökkenti a hasznosításra kerülő fény energiáját, így a vákuumcső hatásfokát is. Továbbá mivel a hőelnyelő szerkezet bár lezárt de nem légüres térben helyezkedik el, a nedvesség esetleg könnyebben bejuthat a a csőbe és korrodálhatja a hőelnyelőt, ami végső soron akár szivárgást is okozhat.

Hőcsöves (heat-pipe) napkollektor

A hőcsöves (heat-pipe) vákuumcsövekben az hőelnyelő szerkezet egy olyan mindkét végén zárt rézcső, amiben rendkívül alacsony nyomáson, alacsony forráspontú folyadék található.
Ahogyan a magasabb tengerszint feletti magasságban (kisebb légnyomáson) hamarabb forr fel a víz, úgy a hőcsőben is az alacsony nyomásnak köszönhetően a hőcserélő folyadék már igen alacsony, akár 30°C körül felforr és átalakul gőz halmazállapotúvá. A napsugárzás hatására a vákuumcsőben elhelyezkedő hőcsőben a folyadék tehát igen gyorsan felforr és elpárolog. A forró gáz a hőcsőben felfelé száll, a cső lezárt felső vége felé. A réz hőcső a felső végénél egy kondenzátor (hő-patron) csatlakozón keresztül adja át a hőjét annak a folyadéknak, amely ezt a hőt az épületen belül elhelyezett tartályba (bojler) továbbítja. A hőátadás (kondenzáció) során a hőcsőben található gáz lehűl, ismét cseppfolyóssá válik és visszafolyik a hőcső aljába, ahol a napsütésnek köszönhetően ismét felhevül és elpárolog.

A hőcsöves napkollektor rendkívüli előnye, hogy a hőcsőben található alacsony nyomásnak köszönhetően nagyon gyorsan beindul benne hőtermelési folyamat, továbbá mivel a hőcsőben és az épületen belül keringő hőcserélő közegek nem keverednek egymással, egy vákuumcső esetleges sérülése esetén a rendszer zavartalanul működhet tovább és a sérült cső viszonylag egyszerűen cserélhető.

U-csöves, direkt átfolyású (U-pipe, direct-flow) napkollektor

Az U-csöves rendszerek esetében a vákuumcsőbe egy U alakú rész cső kerül és egy ezt körülvevő hőátadó lemez. A napsugárzás a hőátadó lemezt és ez által az U csövet is felmelegíti. A hőtermelő folyamat során az U-cső egyik ágán folyik be a vákuumcsőbe a hideg-, majd az U-cső másik ágán folyik ki a felmelegedett hőcserélő folyadék. A csöveken áramló folyadék egyenesen az épületben található tartályba (bojler) kerül, ahol rendszerint egy további hőcserélőn keresztül közvetlenül átadja hőjét a háztartási melegvíznek. A bojlerben lehűlt folyadék a rendszerben keringve visszajut az U-csövekbe, ahol a folyamat ismét kezdődik előröl.
Az U-csöves, direkt átfolyású rendszer előnye, hogy nincs többszörös hőátadás és ezáltal hőveszteség, mert a napsugárzás által felmelegített folyadék közvetlenül a háztartási felhasználásra kerülő vizet melegíti. Hátránya, hogy egy csősérülés esetén az egész rendszerből elfolyhat a hőcserélő folyadék, ami a rendszer teljes leállását vonhatja maga után.

Vákuumcsöves napkollektorok hatékonysága, összehasonlítása

Folyik a vita arról, hogy vajon a síkkollektorok vagy a vákuumcsöves napkollektorok hatékonyabbak e. A kérdés nem dönthető el egyszerűen, mert a különböző kollektor típusok hatékonysága, és megtérülése erősen függ az őket körülvevő környezettől. Ezen kívül vita van abban is, hogy hogyan hasonlítsák össze a két különböző típusú szerkezetet: Míg a síkkollektorok a panel teljes felületét felhasználják a napsugárzás energiájának összegyűjtésére, addig egy vákuumcsöves panelen a vákuumcsövek közé eső fény nem kerül felhasználásra. Ezért a két típus hatékonyságának számításakor egyáltalán nem mindegy, hogy a vákuumcsöves napkollektor esetén a tetőn elfoglalt területet vesszük figyelme, vagy csak a panel hőelnyelésre hasznosuló nettó felületét.
Amennyiben a kollektorok elhelyezésére szánt terület elég nagy, ez nem jelet problémát, de ha szűkösen állunk a telepítés helyével, akkor ez is egy szempont lehet a mérlegelésben.

A síkkollektorok legnagyobb hibája, hogy alacsony környezeti hőmérséklet mellett a napsugárzás által felmelegített síkkollektor szigetelésének hiányától az energia egy jelentős része a környezetbe távozik. Tehát ha hideg időben is szeretnénk napkollektort használni, valószínűleg jobban járunk egy vákuumcsöves rendszerrel. Ezzel szemben déli területeken, ahol enyhébbek a telek, vagy kizárólag nyári igénybevétel esetén elképzelhető, hogy jobb hatékonyságot és kedvezőbb megtérülést érhetünk el egy olcsóbb síkkollektorral. Tehát a választott technológiát minden esetben érdemes a felhasználás helyszínéhez és a várható igényekhez igazítani.

Passzív napkövetés

A vákuumcsöves napkollektorok további előnye, hogy kialakításukból adódóan un. passzív módon követik a nap mozgását. Aktív napkövetésről akkor beszélhetünk, ha a napelem vagy napkollektor paneleket egy mechanikus szerkezet a nap pályáját követve mindig szembefordítja a nappal, hogy a panelek a legjobb hatásfokot érhessék el. A háztetőre szerelt, rögzített síkkollektorok akkor érik el legnagyobb teljesítményüket, amikor a napsugárzás merőlegesen esik rájuk. Ha a nap felöl nézzük a kollektort, ilyenkor látjuk legnagyobbnak a felületét, tehát ilyenkor tudja a legnagyobb felületen összegyűjteni a napsugárzást. Amint a nap továbbhalad a pályáján, a nap felöl nézve egyre kisebb felületét láthatjuk a kollektornak, így a beeső fény és ezzel együtt a hasznosítható energia mennyisége is folyamatosan csökken.

Ezzel szemben a vákuumcsöves napkollektor csövei hengeresek, ezért oldalról bármilyen szögben is esik rájuk a nap, egy-egy cső elnyelő felülete nem változik. Tehát mindaddig amíg a csövek egymás elől ki nem takarják a napot (~40 ° beesési szögig), nem csökken a vákuumcsöves napkollektor hőelnyelő felülete. Ennek köszönhetően a vákuumcsöves napkollektorok szélesebb időintervallumban tudják a napsugárzásból a maximális energiamennyiséget kiaknázni.

CPC tükör

Egyes napkollektorokat úgynevezett CPC (compound parabolic concentrator) tükörrel szerelnek fel, a hatékonyság növelése érdekében. A CPC tükrös panelek esetén minden vákuumcső mögé egy-egy parabola tükör kerül, ami a vákuumcsövek közé eső fényt a csövek középpontjába veri vissza, így hasznosítva azt a fényenergiát, ami a csövek közötti felületre esve nem hasznosulna, továbbá indirekt módon így növelve a vákuumcső fényelnyelő felületét.


Utoljára módosítva: 2010. december 09. @ 09:12
Kövesd az Aeco-t a Twitteren!
powered by Saurus FREE CMS